一种力学试验装置及试验方法

本申请涉及材料力学，尤其涉及一种力学试验装置及试验方法。

背景技术：

1、在地下岩石工程领域针对山区隧道开挖和采矿建设常用的方法有钻爆法，机械开挖法，盾构法等，这些开挖和采矿建设方法虽然可以取得良好的破岩掘进效果，但是会在隧道开挖和采矿建设过程中会留下大量空洞(包括巷道、硐室和采空区)，这些空洞的存在会破坏岩体原始地应力条件，导致空洞附近围岩的应力集中，大大降低了空洞附近围岩的稳定性。此外，这些开挖和采矿建设方法的工作段所产生动态扰动的能力会以应力波的形式在岩体内部传播，并对附近的围岩造成动态破坏，导致附近围岩内出现大量微裂纹和贯穿裂纹，使得围岩的力学性能降低，承受外部荷载的能力降低，完整性和均匀性恶化，稳定性减弱。当应力波到达空洞边界时，会发生一系列的折射、反射和散射现象，会使空洞周围的岩体出现强烈的应力集中，进而导致空洞周围的岩体发生破坏，因此常出现岩爆、崩落和其他严重岩石破坏的现象，引发重大的安全和经济风险。

2、为了对隧道断面所受到的动态扰动作用进行试验，现有技术中通常采用的是分离式霍普金森压杆的静-动耦合加载系统，主要由原位应力模拟装置和动态扰动施加装置两部分组成，其中原位应力模拟装置用于对岩石试样的外围施加压应力以模拟原始的地应力状态；动态扰动施加装置是基于分离式霍普金森压杆原理，动态扰动加载是入射杆通过平面钢板间接撞击岩石试样的表面，只能向岩石试样的表面施加均匀平面形式的动态扰动，即仅能模拟实际隧道开挖建设过程中的远场区动态扰动，无法对近场区和中场区的动态扰动进行模拟，以反应隧道在受到近场区和中场区动态扰动的破坏情况。此外，动态载荷只能在空洞的径向施加，无法模拟空洞周围的岩体受到轴向动态载荷作用的情况。

技术实现思路

1、针对现有技术中上述不足，本发明提供了一种力学试验装置及试验方法，能够解决现有技术中无法对空洞附近的围岩所受到的近场区和中场区的动态扰动以及无法对空洞周围的岩体收到轴向动态载荷作用的情况进行模拟的技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种力学试验装置，所述力学试验装置包括原位应力模拟组件和动态扰动组件，其中：

3、所述原位应力模拟组件用于从岩石试样的外侧面固定所述岩石试样，并对所述岩石试样施加载荷；所述岩石试样为平板状试样，所述岩石试样的中部设有贯穿所述岩石试样两个端面的空洞模拟孔；

4、所述动态扰动组件包括撞击杆、入射杆和适配头；所述适配头的第一端的端面贴合于所述岩石试样的第一端的端面，所述适配头的第二端的端面贴合于所述入射杆的第一端的端面；所述撞击杆用于沿所述入射杆的长度方向撞击所述入射杆的第二端。

5、在本发明一个可选的实施例中，所述适配头整体形状为直柱体，且所述适配头的第一端的端面面积大于所述适配头的第二端的端面面积。

6、在本发明一个可选的实施例中，所述力学试验装置至少包括三个可替换的所述适配头，三个所述适配头的第一端的端面所在平面与第二端的端面所在平面的夹角分别30度、45度、60度。

7、在本发明一个可选的实施例中，所述动态扰动组件还包括波形整形器，所述波形整形器的第一端的端面贴合于所述入射杆的第二端的端面；所述撞击杆沿所述入射杆的长度方向撞击所述波形整形器的第二端的端面。

8、在本发明一个可选的实施例中，所述撞击杆、所述入射杆和所述适配头的材料相同。

9、在本发明一个可选的实施例中，所述力学试验装置还包括应变片、动态应变仪和示波器，所述应变片粘接在所述入射杆的侧面，所述动态应变仪分别与所述应变片和所述示波器电连接。

10、在本发明一个可选的实施例中，所述力学试验装置还包括用于检测载荷施加工程中所述岩石试样位移变化的围岩位移检测组件；其中，所述围岩位移检测组件包括高速摄影机，所述高速摄影机设置于所述岩石试样的第二端的端面的正前方。

11、在本发明一个可选的实施例中，所述原位应力模拟组件包括加载框架和至少两个地应力加载器；所述地应力加载器包括地应力加载头和地应力加载端，所述地应力加载头的第一端安装在所述加载框架上，所述地应力加载头的第二端与所述地应力加载端的第一端连接，所述地应力加载端的第二端的端面贴合于所述岩石试样的侧面；所述地应力加载头用于在与所述地应力加载端的第二端的端面垂直的方向上，向所述岩石试样的侧面施加载荷。

12、在本发明一个可选的实施例中，所述岩石试样包括第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面，其中，所述第一加载侧面和所述第二加载侧面相互平行，所述第三加载侧面和所述第四加载侧面相互平行，所述第一加载侧面和所述第二加载侧面均与所述第三加载侧面和所述第四加载侧面分别垂直；

13、所述地应力加载器的数量为四个，并且四个所述地应力加载端的第二端的端面分别贴合于所述第一加载侧面、所述第二加载侧面、所述第三加载侧面和所述第四加载侧面。

14、本发明第二方面提供了一种力学试验方法，所述方法应用前述力学试验装置，所述力学试验方法包括：

15、将应变片粘接于入射杆上，并且将动态应变仪分别连接所述应变片和示波器；

16、利用原位应力模拟组件将岩石试样固定，并将适配头的第一端的端面贴合于岩石试样的第一端的端面；

17、利用所述原位应力模拟组件对所述岩石试样进行应力载荷加载，直至达到预设应力载荷值；

18、利用撞击杆撞向所述入射杆的第二端的端面，并由所述示波器记录所述应变片在撞击过程中所产生的信号。

19、本发明所公开的力学试验装置及试验方法中，力学试验装置包括原位应力模拟组件和动态扰动组件，其中，原位应力模拟组件用于从岩石试样的外侧面固定岩石试样，并对岩石试样施加载荷；岩石试样为平板状试样，岩石试样的中部设有贯穿岩石试样两个端面的空洞模拟孔；动态扰动组件包括撞击杆、入射杆和适配头；适配头的第一端的端面贴合于岩石试样的第一端的端面，适配头的第二端的端面贴合于入射杆的第一端的端面；撞击杆用于沿入射杆的长度方向撞击入射杆的第二端。与现有技术中动态扰动加载是入射杆通过平面钢板间接撞击岩石试样的表面相比，本实施例中用于模拟动态扰动的应力波可在靠近空洞模拟孔处才被传导至岩石试样上，并且通过调整适配头相对于空洞模拟孔在板状岩石试样上的位置，可以对空洞附近的围岩所受到的近场区和中场区的动态扰动进行模拟，使得模拟的场景更为全面，为隧道开挖和采矿建设的安全性保障设计提供更为丰富的参考数据。

技术特征：

1.一种力学试验装置，其特征在于，所述力学试验装置包括原位应力模拟组件和动态扰动组件，其中：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述适配头整体形状为直柱体，且所述适配头的第一端的端面面积大于所述适配头的第二端的端面面积。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述力学试验装置至少包括三个可替换的所述适配头，三个所述适配头的第一端的端面所在平面与第二端的端面所在平面的夹角分别30度、45度、60度。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动态扰动组件还包括波形整形器，所述波形整形器的第一端的端面贴合于所述入射杆的第二端的端面；所述撞击杆沿所述入射杆的长度方向撞击所述波形整形器的第二端的端面。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述撞击杆、所述入射杆和所述适配头的材料相同。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力学试验装置还包括应变片、动态应变仪和示波器，所述应变片粘接在所述入射杆的侧面，所述动态应变仪分别与所述应变片和所述示波器电连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述力学试验装置还包括用于检测载荷施加工程中所述岩石试样位移变化的围岩位移检测组件；其中，所述围岩位移检测组件包括高速摄影机，所述高速摄影机设置于所述岩石试样的第二端的端面的正前方。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述原位应力模拟组件包括加载框架和至少两个地应力加载器；所述地应力加载器包括地应力加载头和地应力加载端，所述地应力加载头的第一端安装在所述加载框架上，所述地应力加载头的第二端与所述地应力加载端的第一端连接，所述地应力加载端的第二端的端面贴合于所述岩石试样的侧面；所述地应力加载头用于在与所述地应力加载端的第二端的端面垂直的方向上，向所述岩石试样的侧面施加载荷。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述岩石试样包括第一加载侧面、第二加载侧面、第三加载侧面和第四加载侧面，其中，所述第一加载侧面和所述第二加载侧面相互平行，所述第三加载侧面和所述第四加载侧面相互平行，所述第一加载侧面和所述第二加载侧面均与所述第三加载侧面和所述第四加载侧面分别垂直；

10.一种力学试验方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1-9中任一项所述的力学试验装置，所述力学试验方法包括：

技术总结
本发明公开了一种力学试验装置及试验方法，力学试验装置包括原位应力模拟组件和动态扰动组件，原位应力模拟组件用于从岩石试样的外侧面固定岩石试样，并对岩石试样施加载荷；岩石试样为平板状试样，岩石试样的中部设有贯穿岩石试样两个端面的空洞模拟孔；动态扰动组件包括撞击杆、入射杆和适配头；适配头的第一端的端面贴合于岩石试样的第一端的端面，适配头的第二端的端面贴合于入射杆的第一端的端面；撞击杆用于沿入射杆的长度方向撞击入射杆的第二端。由于应力波可在靠近空洞模拟孔处才被传导至岩石试样上，并且通过调整适配头相对于空洞模拟孔在板状岩石试样上的位置，可以对空洞附近的围岩所受到的近场区和中场区的动态扰动进行模拟。

技术研发人员：夏开文,姚伟,徐颖,吴帮标,陈奕名,詹志峰
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16